Гахун Г.Г. - Конструкция и проектироввание жидкостных ракетных двигателей (1049215), страница 7
Текст из файла (страница 7)
Часть магистрали от стыка с трубопроводом ступени, подводящим компонент топлива к ЖРД, до входа в насос называют узлом подвода. Трубопровод, соединяющий турбину ЖРД с дожиганнем со смеснтельной головкой камеры, называют газоводом. Магистрали ДУ с вытеснительной подачей подводят компоненты топлива из баков непосредственно в камеру. Если камера погружена в топливные баки, то магистрали можно сократить и даже исключить вовсе, т.е. компоненты топлива могут поступать иэ баков непосредственно в камеру при открытии клапанов, установленных на ней, Трубопроводы магистралей могут быть как полностью жесткими, так н содержать гиб.
кне участки (сильфоны, шланги) . В состав топливных магистралей и трубопроводов могут входить фильтры, предназначенные для исключения попадания посторонних частиц в агрегаты, перед которыми они размещены. Агрегатом автоматики /яРД называют установленное в ЖРД устройство, обеспечивающее управление, регулирование нли обслуживание ЖРД.
Указанные устройства могут быть механическими, гидравлическими, пневматическими, электрическими, пиротехннческими и т.д. 27 Агрегаты автоматики устанавливаются либо непосредственно на камере, ЖГГ и ТНА, либо в топливных магистралях, трубопроводах и т.д. К агрегатам автоматики ЖРД относятся клапаны, регуляторы, сигнализаторы (реле) давления и электронагреватели. В состав клапанов и регуляторов могут входит электро-, гидро- или пневмоприводы. В двигателях с вытеснительной подачей основные клапаны устанавливают непосредственно на смесительной головке камеры. В ЖРД с ТНА клапанов существенно больше; их размещают, в частности, также на входе в ЖГГ.
Клапаны предназначены для обеспечении прохождения компонента топлива или управляющего газа дальше по магистрали в камеру, ЖГГ и другие узлы при их включении или для прекращения подачи компонента или газа при закрьпии. Регуляторами называют агрегаты, обеспечивающие изменение тяги (регуляторы тяги) и поддержание постоянного давления в камере сгорания (регуляторы давления). Электронагреватели предназначены для поддержания заданного температурного режима, в частности дпи исклишенин замерзания высококипящих компонентов топлива (например, гидразина) .
Кроме основных узлов и агрегатов в состав ЖРД могут входить узлы, обеспечивающие: зажигание топлива в камере н ЖГГ (если топлива несамовоспламеияющиеся); различают пиротехнические, электроискровые и комбинированные воспламенители; запуск турбины ТНА (пусковые твердотопливные ГГ, бачки с пусковыми компонентами топлива, газовые баллоны); продувку определенных полостей двигателя инертным газом (азотом или гелием) при запуске и выключении двигателя (баллон с продувочным газом, трубопроводы и клапаны); создание управляющих моментов и сил (шарнирный или карданный поднес основной камеры или двигателя в целом и др.); наддув топливных баков (баллоны со сжатым гелием, редукторы давлении газа, теплообменники дпя испарения и подогрева небольшой части основных компонентов топлива и подачи их в газовую подушку соответствующего бака и т.д.); устойчивую работу ДУ (демпфсры колебаний, устанавливаемые в топливных магистралях); измерение требуемых параметров двигателя, необходимое как для работы систем регулирования и управлении (датчики систем регулирования и управления, злектрокабели), так и дпя оценки работы основных узлов и агрегатов двигатели (телеметрические датчики, телеметрические кабели); защиту агрегатов двигателя от тепловых потоков, исходящих от реактивной струи камеры (жесткие термозащитные экрана?, мнгкие тепло- изоляционные чехлы и т д,); передачу тяги от двигателя к элементам ЛА и крепление различных агрегатов (рама двигатели, рама ТНА и т.д.) .
28 Вопросы для самоконтроля 1 Какие составные зпементы необходимы дпн созда~ни реактивной силы? 2. Из каких оснонных частей состоит ДУ? 3. По каким признакам подразделяются ракетные деигетелн н ракетные ДУ? 4. В чем состоят преимушества обьединенных ду? 5. Какие основные узлы н агрегаты входят н состав жрд? ГЛАВА 2 ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ СХЕМЫ ЖРД 21.
ВЫБОР СХЕМЫ ПОДАЧИ Как уже отмечалось выше, конструкпия и параметры ЖРД и ДУ в целом в значительной степени зависят от типа схемы подачи. При использовании вьпеснительной подачи давление в топливных баках больше, чем в камере двигателя. Это обусловливает, с одной стороны, понижение давления рк, что снижает удельный импульс и приводит к большим размерам камеры, а с другой стороны, увеличение массы топливных баков (из-за большой толщины их стенок) „что ограничивает область использовании вытеснительной подачи двигательными установками с относительно небольшими значениями 2в. Для возможно большего снижения массы баков ДУ с вьпеснительнои подачей целесообразно применить компоненты топлива с повышенной плотностью и композиционные материалы с повышенной удельной прочностью для стенок бака.
В баках ДУ с насосной подачей 'давление обычно не превышает 0,2 ... 0,4 МПа, поэтому баки имеют относительно небольшую толщину стенки, а давление в камере сгорания можно выбирать большим (20 МПа и более), Это позволиет существенно уменьшить размеры камеры и повысить удельный импульс двигателя. Поэтому ДУ с насосной подачей имеют значительно меньшую удельную массу, чем ДУ с вьпеснительной подачей. Но сложность схемы и конструкции ДУ с насосной подачей (в основном из-за наличия ТНА) вызывает большие затраты времени и средств для достижения требуемой надежности. Соответственно возрастают стоимость разработки И изготовления ДУ с насосной подачей, а также риск неудачной разработки.
Однако стремление к максимальному снижению массы ДУ приводит к тому, что намечается тенденция к переходу в КК и КА на насосную подачу. Это связано также с достижениями в совершенствовании насосов малых'размеров, с выявлением целесообразности применения электродвигателя длн их привода в ЖРД относительно небольшой тяги. Кроме того, созданы электрические аккумуляторы с большой энергоемкостью 29 Поэтому в настоящее время за рубежом проводят разработки насосов и для ЖРД с очень малой тягой. Например, Лаборатория реактивного движения США выполняет программу разработки насосов для компонентов топлива Х204 и ММГ для ЖРД тягой всего 4,45 Н для их использования при летных испытаниях.
При проектировании конкретного ЛА наиболее эффективна та система подачи (насосная или вытеснительнаа), которая при заданном приросте скорости ЛА 41' или при заданном значении Тг обеспечивает меньшую массу залитой ДУ, т.е. большее отношение 7г/тду, если нет других ограничений (например, по затратам, срокам разработки и тль) . Отношения Т~(тду надо сравнивать при оптимальных давлениях в камере р„для насосной и вытеснительной подач. Оптимальному давнению р„соответствует максимум отношения Т~(тду при заданном давлении р„, Давление р для двигателей с вытеснительной подачей обычно не превышает 2 ... 2,5 МПа; для КК, КА и ИСЗ в целом ряде случаев выбирают и более низкие давления р — до 0,7 МПа.
Для ЖРД с насосной подачей оптимальное давление р» зависит от выбранной схемы двигателя, В ЖРД с дожиганием применяют высокие давления р„— до 20 „. 25 МПа и более, а для ЖРД без дожигания р об бычно не превышает 8 МПа. Одно из наиболее высоких значений дав. К пения в камере ЖРД без дожигания (10 МПа) выбрано для ЖРД НМ.б0, разрабатываемого в Западной Европе. Для ИСЗ, КА и КК ДУ с насосной и вытеснительной схемами срав. нивают по трем критериям; по приращению или уменьшению скорости ЛА л А 1; обеспечиваемому ДУ, и по массам залитой и сухой ДУ. При сравнении по 2З1' значения массы ДУ выбирают из условия одинакового занимаемого ею объема. При сравнении по массам залитой и сухой ДУ значение 22»' принимают одинаковым для сравниваемых ДУ. Такое сравнение проводилось для ДУ орбитального маневрирования и ДУ РСУ для МТКК типа "Спейс шаттл" второго поколения.
В МТКК "Спейс шаттл" обе указанные ДУ, работающие на топливе Х20ч + ММГ, используют вытеснительную подачу. Указанное выше сравнение применительно к МТКК типа "Спейс шаттл" второго поколения показало, что в случае выбора топлива жидкий кислород и этиловый спирт ((О ) 2 Ж Сз,ОН) ДУ орбитального маневрирования и ДУ РСУ с насосной подачей обладают преимуществом перед ДУ с вытеснительной подачей по всем трем указанным выше критериям. В расчете для ДУ орбитального маневрирования принят привод насосов с помощью турбины, работающей на продуктах сгорания ЖГ, а для ДУ РСУ наиболее эффективным оказался привод насосов с помощью электродвигателя.
Применение электрических насосов повышает удельный импульс двигателей ориентации (отсутствуют потери, связанные с выбросом отработанного турбинного газа в окружающую среду) . При выборе системы подачи для ДУ межорбитального буксира США ЗО (тяга ДУ 3,1 кН; топливо Х,Оч + ММГ) предпочтение отдано тоже насосной подаче, причем для привода насосов намечено применить также электродвигатель с питанием от электрических аккумуляторов. Последние подзаряжаются от солнечных батарей в периоды пассивного полета межорбитального буксира.
Расчеты по вариантам ДУ для указанного буксира показали, что при насосной подаче масса сухой ДУ снижается на 505 кг по сравнению с вытеснительной. Однако применение электрических аккумуляторов становится неэффективным в тех случаях, когда необходимо обеспечить очень высокий суммарный импульс (более 2,2 ° 10' Н с) прн работе ДУ в непрерывном режиме. В целом ряде случаев критерием оптимизации является не характеристическая скорость, а другие критерии: возможно меньшая стоимость или возможно меньший срок разработки ДУ. Выбор оптимальных параметров ДУ зависит от назначения ЛА.
На. пример, требования НАСА и Министерства обороны США к ракетам существенно различны. НАСА требуются ракетьг с малыми затратами на изготовление и обслуживание, которые в той или иной степени можно использовать многократно. Для Министерства обороны наиболее важно обеспечить постоянное состояние готовности и малое время обслуживания„ а стоимость и масса полезного груза отступают на второй план. 2.2, СХЕМЫ ДВИГАТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ С ВЫТЕСНИТЕЛЬНОЙ ПОДАЧЕЙ Общая характеристика схем с вытеснительиой подачей. Ранее отмечалось, что тетя вытеснения компонентов топлива из баков можно использовать заранее запасенный газ высокого давления, а также продукты разложения или продукты сгорания ЖГГ и продукты сгорания ТГГ. Возможно применение паров какой-либо жидкости, образующихся в теплообменнике, причем теплоносителем могут служить продукты сгорания или разложения, поступающие из специальных газогенераторов.
Возможных схем очень много, но в современных ДУ для вытеснения компонентов топлива почти повсеместно используется заранее запасенный газ высокого давления. В этом случае наиболее легко обеспечить многочисленные (в некоторых случаях до 1Оь) циклы работы ДУ, а вытесни- тельную схему применяют в основном в ДУ малой тяги, которые обычно должны многократно включаться для осуществления различных маневров КА, Твердотопливные газогенераторы пригодны лишь для ДУ с одноразовым циклом работы и при относительно малом времени работы. В крайнем случае в ДУ с несколькими циклами работы можно использовать несколько ТГГ, но это приводит к увеличению сухой массы ДУ и требует защиты неработающих ТГГ от преждевременного воспламенения из-за воздействия прод ктов сгорания работающего ТГГ.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
